基于CDIO理念的半导体器件设计课程教学研究

来源:用户上传      作者:胡冬青

　　[摘 要] CDIO理念是麻省理工学院和瑞典皇家工学院等国际知名大学依托产品研发全过程创立的工程教育理念。基于CDIO工程教育理念，以半导体器件设计的教学活动为载体，开展教师和学生共同参与、学业考核贯穿整个教学过程的课程教学与实践活动，培养和提升学生工程实践能力。
　　[关键词] CDIO;工程教育;课程建设;器件设计
　　 一、概述
　　1999年，麻省理工学院的航空航天系创造性开发了一个为期三学期的顶峰体验实验项目[1，2]。该实验项目是设计空间系统，为国际空间站开发一个卫星飞行编队，要求建立高精度原始模型，并在NASA’s KC-135微重力环境运行一段时间。这是一个真正的工程活动，包括构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运行（Operate）等环节，完全是一个产品研发的思路。这种将工程概念和原理，通过实操训练教给学生，让学生在做中学、学中做的顶峰体验实验就是CDIO工程教育理念的核心思想，它激发学生以主动的态度参与工程实践活动，并在实践过程中将多课程知识、方法有机结合在一起。CDIO工程教育模式作为国际工程教育改革的新成果，受到国内外教育教学研究者的关注[3-5]，并不断将CDIO理念引入课程教学与改革。本论文将CDIO理念引入到半导体器件设计课程中，对传统教学模式和考核方式进行改革尝试。
　　二、课程教学内容设计
　　半导体器件设计是应用半导体物理、器件原理、微电子工艺基础知识与理论，从工程需要出发，以降低成本、保障性能、提高成品率等为目标，最大限度发掘材料极限、工艺极限的技术活动。这门课程没有涉及太多新概念、新知识、新理论，更多是从工程角度出发，将原理结构工程化为工艺流程和版图设计，因此非常适合于将CDIO理念贯穿整个教学。半导体器件设计课程主要包括课堂教学和实践两方面的内容。课程从半导体器件应用出发，明确应用对器件性能指标的要求，从物理机理、结构设计、仿真验证、工艺实现与版图等角度，说明材料质量、工艺技术水平、器件内部物理机理等对常规半导体器件（二极管、功率MOSFET）电性能的约束，要求学生能够根据应用要求进行折中设计与优化，培养学生知识运用能力和产品研发要求的系统化设计能力。
　　三、教学方法改革与CDIO理念落实
　　传统的器件设计课程教学，理论教学和实践环节相对独立，不能很好体现集成化教学设计。为了落实CDIO教学理念，主要进行了以下三方面的改革。
　　1.以CDIO理念为主线，设计教学内容与教学过程。为了實现“学中做、做中学，教、学、做一体化”的教学理念，确立学生在教学过程中的主导地位，针对半导体器件设计课程的教学目标，构建了CDIO教学模式。表1以二极管设计为例，给出了教学设计与CDIO理念落实情况。
　　2.利用校园日新学堂，开展反转课堂教学。将MOOC教学模式引入教学，借助校园日新课堂平台，将教学视频在课前上传校内网，要求学生提前观看和学习。课堂上主要进行现场答疑、协作探究和互动交流等活动。翻转课堂理念下，教师由知识的传授者变为学习的指导者，学生由被动的接受者成为主动的研究者，课堂则由知识传授转变为问题探究。
　　3.积极开展教学环境建设，保证教学效果。传统的理论教学与实验教学环境均为“讲台+课桌”布局，属于传授式教学活动设置，不能充分适应研讨式的教学特别是分组研讨式教学要求。为此，教学环境建设改革首先要做的就是打破传统布局，增加讨论空间，增设移动“黑板”，保证多组能够同时看着板书研讨。教学环境改革的第二步就是实现仿真平台远程登陆，保证理论教学环节，随时访问仿真实践平台，保证教学效果。
　　四、结束语
　　半导体器件设计是一门工程性较强的课程。基于CDIO工程教育理念的教育教学改革能够激发学生学习兴趣，提高学生主动学习和团队合作能力。CDIO理念有12条执行标准，分别就教学环境、教学目标、课程设置、工作经验与场所、教师能力、教学方法、考核评价方法等进行了规范。目前，我校虽然在践行工程教育理念方面做了一定的工作，但与标准要求尚有一定距离，今后将继续深入领会和积极践行CDIO的工程理念，加强专业教育研究，真正提高本科人才的培养质量。
　　参考文献
　　[1]Miller，David W.，Brodeur，Doris R.，Keesee，John E.，The CDIO Capstone Course：An Innovation in Undergraduate Systems Engineering Education，ASEE Annual Conference Proceedings，p 2145-2156，2002.
　　[2]Miller，David W.1;Keesee，John E.1;Brodeur，Doris R.，A New Capstone Design Curriculum，42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit;p 511-521，2004.
　　[3]Nur Idawati Md Enzai;Norhayati Ahmad;Syazilawati Mohamed;Siti Sara Rais;Mohd Amir Hamzah Ab.Ghani;Nuraiza Ismail，CDIO Implementation in Microprocessor Dourse Through Mini Project Assignment，2017 IEEE 9th International Conference on Engineering Education （ICEED），P7-11，2017.
　　[4]Ahmad Farid Abidin;Muhamad Nabil Hidayat;Syahrul Afzal Che Abdullah;Hasrul Hafiz Abu Bakar，The Mapping of CDIO Skills Set with EAC Program Outcome （PO），2017 IEEE 9th International Conference on Engineering Education （ICEED），P12-16，2017.
　　[5]牛江瑞.基于CDIO理念的BIM建筑建模课程改革与实践[J].山西建筑，2019，（12）：190-191.
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